Ⅲ族氮化物量子阱光电子学特性和应用的研究

论文摘要

Ⅲ族氮化物半导体,包括AlN, GaN和InN及它们所组成的三元化合物AlGaN, InAIN, InGaN和四元化合物InAlGaN,因为其禁带宽度覆盖了紫外到可见光的重要光谱范围,具有比目前为止其它半导体材料更大的发展潜力和更广阔的应用前景。随着材料生长技术和器件制备技术的提高,近十几年来Ⅲ族氮化物在光电子领域尤其是发光器件的应用上取得了长足的进步。由于量子限制效应使量子阱结构的发光器件在性能上更为优越,实用化的Ⅲ族氮化物发光器件基本采用量子阱结构来制作,对Ⅲ族氮化物量子阱进行理论和应用研究具有深刻的现实意义。尽管十几年来Ⅲ族氮化物量子阱发光器件的特性和应用研究都取得了很大的进展,但仍旧存在很多有待解决的问题。本文将针对Ⅲ族氮化物量子阱发光器件研究所面临的部分关键问题进行研究,并提出一些合理的解决方案。本文的具体研究内容和成果主要包括：1.首先建立了基于修正的k-p方法的Ⅲ族氮化物量子阱光电子学特性的理论模型,该模型充分考虑了极化效应、阱间耦合以及应力效应的影响,通过对导带和价带有效质量方程和泊松方程的自洽求解,最终可以得到Ⅲ族氮化物量子阱结构的光电子学特性。并采用非均匀网络的有限差分法,建立了能够计算任意复杂应变量子阱结构光电子学特性的高级语言数值计算程序。2.针对III族氮化物特有的极化特性,本文应用建立的基于k·p方法的理论模型,以蓝光应用的InGaN/GaN多量子阱结构为例,详细分析了极化效应对Ⅲ族氮化物量子阱光电子学特性的影响及产生这种影响的原因。之后分析了在极化效应影响下,InGaN多量子阱结构的光电子学特性对阱宽和垒厚依赖性增强的原因。在此基础上本文提出了通过采用掺In垒层或采用极化匹配InAlGaN垒层的方法,能够改善极化效应对InGaN多量子阱结构光电子学特性的影响,利用k·p方法模型得到的仿真程序,从理论上证明了在采用掺In垒层或采用极化匹配InAlGaN垒层后,InGaN多量子阱结构中极化影响的改善。3.针对Ⅲ族氮化物的白光应用,本文提出了采用对应辐射波长互补的两种InAlGaN量子阱,按一定顺序排列形成的非规则多量子阱结构实现单芯片、无荧光粉双色白光LED。或者采用红光、绿光和蓝光量子阱组合而成的InAlGaN非规则多量子阱结构实现三色白光LED。通过分析不同设计参数InAlGaN非规则多量子阱结构的光电子学特性,从理论上验证了通过选择合适的设计参数,InAlGaN非规则多量子阱结构的辐射光谱将接近白光。本文进一步讨论了红极化效应的影响下,应用于双色和三色白光LED的InGaN非规则多量子阱结构的优化设计。4.为了分析Ⅲ族氮化物量子阱器件远离平衡态时的输运特性,本文建立了基于Wigner函数的Ⅲ族氮化物量子阱结构的量子输运模型,该方法通过自洽求解Wigner函数形式的电子和空穴刘维尔方程及泊松方程,能够得到Ⅲ族氮化物量子阱结构内部的载流子动态情况。之后采用有限差分法离散化刘维尔方程和泊松方程,建立了能够计算任意复杂应变量子阱结构输运特性的高级语言数值计算程序。应用基于Wigner函数的量子输运模型,对InGaN/GaN量子阱结构中的载流子输运问题进行了分析。并将Wigner函数和k-p方法相结合,进一步分析了考虑量子输运时InGaN/GaN量子阱结构的光学特性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ⅲ族氮化物材料的基本性质和研究概况
• 1.2.1 基本结构
• 1.2.2 研究历程
• 1.2.3 材料特性
• 1.3 Ⅲ族氮化物量子阱发光器件的研究进展
• 1.3.1 量子阱发光器件的发展进程
• 1.3.2 量子阱结构的光电子学特性研究
• 1.4 Ⅲ族氮化物量子阱发光器件研究面临的问题
• 1.4.1 极化效应的影响
• 1.4.2 白光应用的研究
• 1.4.3 量子输运问题的研究
• 1.5 本文的主要研究内容和成果
• 参考文献
• 2 Ⅲ族氮化物量子阱结构的理论模型
• 2.1 引言
• 2.2 纤锌矿半导体的k-p方法
• 2.2.1 Bloch定理
• 2.2.2 Kane模型
• 2.2.3 Chuang-Chang模型
• 2.3 Ⅲ族氮化物量子阱的能带结构
• 2.3.1 导带和价带的有效质量理论
• 2.3.2 Ⅲ族氮化物材料的极化效应
• 2.3.3 考虑极化效应时量子阱的能带结构
• 2.4 Ⅲ族氮化物量子阱结构的光学特性
• 2.4.1 半导体的光吸收过程
• 2.4.2 量子阱结构的带间增益及辐射谱
• 2.5 数值实现
• 2.5.1 有效质量方程的数值求解
• 2.5.2 有效质量方程和Poisson方程的自洽
• 2.6 小结
• 参考文献
• 3 Ⅲ族氮化物量子阱结构的极化影响和改善
• 3.1 引言
• 3.2 极化效应对多量子阱结构光电子学特性的影响
• 3.2.1 极化效应对带边势和载流子分布的影响
• 3.2.2 极化效应对导带和价带子带结构的影响
• 3.2.3 极化效应对光学特性的影响
• 3.3 多量子阱结构光电子学特性对阱宽和垒厚的依赖性
• 3.3.1 光电子学特性对阱宽的依赖性
• 3.3.2 光电子学特性对垒厚的依赖性
• 3.4 采用掺In垒层InGaN多量子阱结构的极化改善
• 3.4.1 电子学特性的极化改善
• 3.4.2 光学特性的极化改善
• 3.4.3 光电子学特性对阱宽和垒厚依赖性的改善
• 3.5 采用极化匹配垒层InGaN多量子阱结构的极化改善
• 0.15Ga_0.85N多量子阱结构极化匹配垒层材料的选择'>3.5.1 In_0.15Ga_0.85N多量子阱结构极化匹配垒层材料的选择
• 0.15Ga_0.85N多量子阱结构电子学特性的极化改善'>3.5.2 In_0.15Ga_0.85N多量子阱结构电子学特性的极化改善
• 0.15Ga_0.85N多量子阱结构光学特性的极化改善'>3.5.3 In_0.15Ga_0.85N多量子阱结构光学特性的极化改善
• 0.1Ga_0.9N多量子阱结构的极化改善'>3.5.4 采用极化匹配垒层In_0.1Ga_0.9N多量子阱结构的极化改善
• 3.6 小结
• 参考文献
• 4 Ⅲ族氮化物量子阱结构的白光应用
• 4.1 引言
• 4.2 采用InAlGaN非规则多量子阱结构实现双色白光LED
• 4.2.1 黄光和蓝光量子阱阱层材料和阱宽的选择
• 4.2.2 双色InAlGaN非规则多量子阱结构的电子学特性
• 4.2.3 双色InAlGaN非规则多量子阱结构的光学特性
• 4.3 采用InAlGaN非规则多量子阱结构实现三色白光LED
• 4.3.1 红光、绿光和蓝光量子阱阱层材料和阱宽的选择
• 4.3.2 三色InAlGaN非规则多量子阱结构的电子学特性
• 4.3.3 三色InAlGaN非规则多量子阱结构的光学特性
• 4.3.4 其它InAlGaN非规则多量子阱结构设计
• 4.4 应用于白光LED的InGaN非规则多量子阱结构的优化设计
• 4.4.1 双色白光LED应用
• 4.4.2 三色白光LED应用
• 4.5 结论
• 参考文献
• 5 Ⅲ族氮化物量子阱结构的量子输运
• 5.1 引言
• 5.2 基于Wigner函数的量子输运模型
• 5.2.1 密度矩阵
• 5.2.2 量子刘维尔方程
• 5.2.3 Ⅲ族氮化物量子阱结构的刘维尔方程
• 5.2.4 载流子和电流密度
• 5.2.5 边界条件
• 5.3 基于Wigner函数量子输运模型的数值实现
• 5.3.1 变量的离散化
• 5.3.2 刘维尔方程的离散化
• 5.3.3 离散刘维尔方程的矩阵形式
• 5.3.4 刘维尔方程和泊松方程自洽
• 5.4 InGaN/GaN量子阱结构中的载流子输运
• 5.4.1 InGaN/GaN单量子阱结构中的载流子输运
• 5.4.2 InGaN/GaN多量子阱结构中的载流子输运
• 5.5 考虑量子输运时InGaN/GaN量子阱结构的光学特性
• 5.6 小结
• 参考文献
• 6 结论
• 6.1 本论文的主要研究成果
• 6.2 下一步拟展开的研究工作
• 作者简历
• 学位论文数据集